(57)【要約】【課題】室温で固体の有機化合物を燃料として用いることにより、安全性を高めた燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード、カソードおよび電解質を具備する燃料電池と、室温で固体の有機化合物燃料を貯蔵する貯蔵部とを有し、有機化合物燃料を気化して気体燃料としてアノードに供給することを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード、カソードおよび電解質を具備する燃料電池と、
室温で固体の有機化合物燃料を貯蔵する貯蔵部とを有し、
前記有機化合物燃料を気化して、気体燃料として、前記アノードに供給すること、を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記有機化合物燃料を昇華させることにより気化させる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記有機化合物燃料を融解させた後、蒸発させる、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の外表面と接すると同時に前記貯蔵部の外表面と接する導電性シートを有し、前記導電性シートを介して前記貯蔵部に前記燃料電池の熱を伝える、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
気化した前記有機化合物燃料を、前記有機化合物燃料とは異なる異種有機化合物に変換してから前記アノードに供給する、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記有機化合物燃料が、トリオキサンである、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記有機化合物燃料が、トリオキサンであり、前記異種有機化合物が、ホルムアルデヒドである、請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記貯蔵部が、前記燃料電池システムから着脱可能である、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料を燃料電池のアノードに供給するカートリッジであって、室温で固体の有機化合物燃料を貯蔵する貯蔵部を有すること、を特徴とする燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項１０】
前記有機化合物燃料を気化もしくは融解させる空間もしくは手段を有する、請求項９記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項１１】
気化した前記有機化合物燃料を、前記有機化合物燃料とは異なる異種有機化合物に変換する変換部を有する、請求項１０記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項１２】
前記有機化合物燃料がトリオキサンである、請求項９記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項１３】
前記有機化合物燃料が、トリオキサンであり、前記異種有機化合物が、ホルムアルデヒドである、請求項１１記載の燃料電池用燃料カートリッジ。
【請求項１４】
アノード、カソードおよび電解質を具備する燃料電池と、
室温で固体の有機化合物燃料を貯蔵する貯蔵部と、
を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記有機化合物燃料を気化して、気体燃料として、前記アノードに供給する、
燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
前記有機化合物燃料が、トリオキサンを含む、請求項１４記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１６】
前記有機化合物燃料を気化する工程が、
（i）前記有機化合物燃料を昇華させることにより気化させる工程、または、（ii）前記有機化合物燃料を融解させた後、蒸発させる工程を含む、請求項１４記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を含む燃料電池システム、および燃料電池に供給する燃料を貯蔵する燃料カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素などの燃料と、酸素などの酸化剤とを電気化学的に反応させる燃料電池を用いて電力を発生させる発電システムである。燃料としては、水素以外にもアルコール類、エーテル類、オレフィン類などの有機化合物を用いることができる。
【０００３】
有機化合物を燃料に用いた従来の燃料電池システムとしては、メタノールを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献１参照）、ホルムアルデヒドを用いる燃料電池システム（例えば、非特許文献１参照）、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、トリオキサンを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献１および非特許文献２参照）、シュウ酸エステル、グリオキサル酸エステルを用いる燃料電池システム（例えば、特許文献２参照）などがある。
【０００４】
これらの燃料電池システムにおいては、有機化合物が固体または気体の場合も含めて、有機化合物を溶解させた水溶液が燃料電池に供給されている。
【特許文献１】特表平１０−５０７５７２号公報
【特許文献２】特表２００３−５２０４１３号公報
【非特許文献１】Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ、第１１巻、ｐ．１３３−１４１
【非特許文献２】Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、第１４４巻、第１２号、ｐ．４１９５−４２０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料を水溶液として用いる場合、燃料容器が破損したり、燃料容器の燃料電池システムへの接合に失敗したりした際に、燃料の漏洩が極めて起こりやすいという問題がある。よって、燃料が流体であることは、利便性には優れるものの、漏液による安全性の低下などが懸念される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、（i）室温で固体の有機化合物を燃料として用いることにより、漏液をなくし、安全性を高めた燃料電池システムを提供すること、（ii）発電によって生じた熱エネルギーを有効利用すること、および、（iii）室温で固体の有機化合物を燃料として貯蔵するとともに燃料電池システムから着脱可能な燃料カートリッジを提供することなどを目的としている。
【０００７】
本発明は、アノード、カソードおよび電解質を具備する燃料電池と、室温で固体の有機化合物燃料を貯蔵する貯蔵部とを有し、有機化合物燃料を気化して気体として燃料電池のアノードに供給する燃料電池システムに関する。なお、室温とは、１０℃〜４０℃の範囲を意味する。本発明は、有機化合物燃料を貯蔵する貯蔵部が燃料電池システムから着脱可能である場合を包含するが、貯蔵部は脱着可能でなくてもよい。
【０００８】
本発明において、気化とは、固体から直接気体になる昇華、液体から気体となる蒸発の双方の場合を含んでいる。よって、本発明は、有機化合物燃料を、昇華させることにより気化させる場合と、有機化合物燃料を融解させた後、蒸発させる場合とを包含する。有機化合物燃料の気化は、貯蔵部において行ってもよく、燃料電池システム内の他の場所で行ってもよい。例えば、有機化合物燃料の昇華や融解は、貯蔵部内で行うことが好ましい。また、融解した有機化合物燃料の気化は、貯蔵部内で行ってもよく、燃料電池のアノードに供給するまでに貯蔵部以外の場所で行ってもよい。
【０００９】
燃料電池の発電時には熱エネルギーが発生するため、これを有効利用することが好ましい。よって、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の熱を貯蔵部に伝える熱伝導部を有することが好ましい。例えば、燃料電池システムは、燃料電池の外表面と接すると同時に貯蔵部の外表面とも接する導電性シートを有することが好ましい。導電性シートを介して貯蔵部に燃料電池の熱を伝えることができる。導電性シートには、黒鉛などの炭素材料、金属などを用いることが好ましい。
【００１０】
熱伝導部により貯蔵部に伝えられた熱エネルギーは、有機化合物燃料を気化させる際の昇華熱、融解熱もしくは気化熱として利用することができる。このように熱エネルギーが有効利用されることにより、燃料電池からの熱排出量が減少し、高温熱源にユーザが直接接触する機会が減少し、安全に燃料電池システムを使用することが可能になる。また、熱エネルギーが有効利用されることにより、発電効率を高め、システムを小型化することが可能になる。
【００１１】
本発明は、気化した有機化合物燃料を、異種有機化合物に変換してから燃料電池のアノードに供給する場合を包含する。有機化合物燃料を燃料電池のアノードに供給する前に、より反応性の高い別の有機化合物に変換することにより、発電効率を高めることができる場合がある。有機化合物燃料の異種有機化合物への変換は、貯蔵部内で行ってもよく、貯蔵部以外で行ってもよい。例えば、有機化合物燃料の異種有機化合物への変換を行う変換部を燃料電池システムに設けてもよい。
【００１２】
燃料電池システムが、燃料電池の熱を貯蔵部に伝える熱伝導部を有する場合、燃料電池の発電時に発生する熱エネルギーは、有機化合物燃料を異種有機化合物に変換する際の反応熱としても利用することができる。その結果、発電効率を一層高めることができる。
【００１３】
本発明は、また、燃料を燃料電池のアノードに供給するカートリッジであって、室温で固体の有機化合物燃料を貯蔵する貯蔵部を有することを特徴とする燃料電池用燃料カートリッジに関する。燃料カートリッジは、有機化合物燃料を気化もしくは融解させる空間もしくは手段を有することが好ましい。有機化合物燃料を気化もしくは融解させる手段としては、加熱手段、例えばヒータなどが好ましい。有機化合物燃料は、気化された後、気体として燃料電池のアノードに供給される。
【００１４】
有機化合物燃料の気化は、カートリッジが具備する貯蔵部内の空間で行ってもよく、貯蔵部以外の場所で行ってもよい。例えば、有機化合物燃料の昇華や融解は、カートリッジが具備する貯蔵部内の空間で行うことが好ましい。また、融解した有機化合物燃料の気化は、カートリッジが具備する貯蔵部内の空間で行ってもよく、燃料電池のアノードに供給するまでに貯蔵部以外の場所で行ってもよい。
【００１５】
燃料電池用燃料カートリッジには、気化した有機化合物燃料を、異種有機化合物に変換する変換部を設けることができる。特に、変換部が時間経過とともに劣化する場合には、カートリッジに変換部を設け、貯蔵部と同時に変換部を交換することが好ましい。
【００１６】
有機化合物燃料としては、例えばトリオキサンが好適である。
有機化合物燃料にトリオキサンを用いる場合、トリオキサンは、ホルムアルデヒド（異種有機化合物）に変換してから燃料電池のアノードに供給することが好ましい。
本発明において、有機化合物燃料は、燃料電池の燃料として利用可能であり、かつ室温で固体の有機化合物を全て包含し、異種有機化合物は、有機化合物燃料の分解反応などにより生成する有機化合物を全て包含する。
【００１７】
本発明は、更に、アノード、カソードおよび電解質を具備する燃料電池と、室温で固体の有機化合物燃料を貯蔵する貯蔵部とを有する燃料電池システムの運転方法であって、有機化合物燃料を気化して、気体燃料として、前記アノードに供給する燃料電池システムの運転方法に関する。
有機化合物燃料を気化する工程は、例えば、（i）有機化合物燃料を昇華させることにより気化させる工程、または、（ii）有機化合物燃料を融解させた後、蒸発させる工程を含む。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、有機化合物燃料が、室温で固体であるため取り扱いやすく、燃料の漏洩も起こりにくくなり、燃料電池システムの安全性が高められる。また、有機化合物燃料は、燃料電池のアノードに供給される前に気化されるため、燃料の反応性は高くなり、燃料電池システムの発電効率も高くなる。また、燃料カートリッジは、ユーザが直接触れる機会が多いが、室温で固体の有機化合物燃料をカートリッジに収容することにより、従来よりも安全に燃料カートリッジを使用することが可能になる。
【００１９】
固体の有機化合物は、熱エネルギーを吸収して、昇華もしくは融解し、融解した有機化合物は気化する性質を有する。よって、本発明では、燃料電池システム内において、発電時に生成した熱エネルギーを、有機化合物燃料を気化させる熱エネルギーとして利用することができる。また、熱エネルギーを利用して、気化した有機化合物燃料を、より反応性の高い異種有機化合物に変換することができる。
【００２０】
上記のように、燃料電池の発電時に生成した熱エネルギーを有効利用することにより、安全で、かつ、発電効率の高い燃料電池システムを提供することが可能となる。更に、熱エネルギーが有効に消費されるため、燃料電池システムが高温に昇温するのを防止でき、冷却設備の減少や省略が可能となり、システム全体を小型化することも可能となる。
【００２１】
なお、メタノール、ホルムアルデヒド、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、トリオキサン、シュウ酸エステル、グリオキサル酸エステルなどは、水素を燃料とする燃料電池に比べて、得られる電池電圧が低く、発電効率が低くなる。これらの有機化合物を燃料として用いた場合には、電極での反応抵抗が大きいため、本来取り出せるはずのエネルギーのうち５０％程度しか、電気エネルギーとして取り出すことができず、残りは熱エネルギーとして外部に放出される。このため燃料電池システムには、何らかの冷却手段が必要となり、最終的なシステムの体積が大きくなってしまう。一方、本発明によれば、熱エネルギーを有機化合物燃料の気化に利用できるため、このような問題を回避することができる。
【００２２】
メタノールおよびホルムアルデヒドは、その他の有機化合物に比べると、反応抵抗が小さく、発電効率も高い。しかし、いずれも高度な安全性を確保する観点から、取り扱いが不便である。一方、トリオキサンは、昇華性の高い固体の有機化合物であり、メタノールやホルムアルデヒドなどに比べて、極めて安全性が高いため、有機化合物燃料として好適である。トリオキサンを燃料として用いることにより、極めて安全な燃料電池システムや燃料カートリッジを提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を図１に示す。燃料電池システム１０は、燃料電池１１と、貯蔵部１２とを具備する。図１では、貯蔵部１２の側面に凹部１４が形成されており、凹部１４に燃料電池１１が収容されている。
なお、燃料電池と貯蔵部との位置関係は任意であり、本実施形態に係る燃料電池システムの配置が図１の構成に限定される訳ではない。例えば、貯蔵部の方が燃料電池よりも小さくてもよい。ただし、燃料電池１１と貯蔵部１２との間で熱交換が可能なように、燃料電池と貯蔵部とを隣接させて設置することが好ましい。燃料電池１１と貯蔵部１２との熱交換の方式は限定されない。
【００２４】
燃料電池１１は、アノード、カソードおよびアノードとカソードとの間に介在する電解質を具備する。貯蔵部１２には、室温で固体の有機化合物燃料、例えばトリオキサンが貯蔵されている。有機化合物燃料は、貯蔵部１２の内部で気化し、有機化合物燃料の気体は、供給部１３を通過して、燃料として、燃料電池１１のアノードに供給される。
【００２５】
有機化合物燃料を気化させる方法は、特に限定されないが、昇華する性質を有する有機化合物は、貯蔵部１２に貯蔵するだけでも気化が進行する。例えばトリオキサンは、固体でも室温付近で１７ｈＰａ程度の蒸気圧を有するため、貯蔵部１２の内部には、トリオキサンの蒸気が充満している。よって、供給部１３を介して、燃料電池１１のアノードと貯蔵部１２の内部とを連通させることにより、トリオキサンの気体を燃料電池１１のアノードに供給することができる。供給部１３には、燃料電池１１の燃料供給口と、貯蔵部１２とを連通させる様々な手段を用いることができる。燃料電池１１の始動時には、トリオキサンの蒸気圧に相当する燃料供給量でも燃料電池１１は動作可能である。
【００２６】
燃料電池１１の始動時など、燃料電池の温度が低い場合には、加熱により、有機化合物燃料の昇華や、融解とその後の蒸発を促進させても良い。昇華する性質を有さない有機化合物は、気化させる前に加熱して融解させ、その後、蒸発（気化）させればよい。例えば、供給部１３の近傍において、貯蔵部１２に抵抗発熱体などの加熱装置を配置し、補助電源によって加熱装置を稼働させて、有機化合物燃料の昇華や、融解とその後の蒸発を促進させてもよい。
【００２７】
有機化合物燃料は、２５℃で２ｈＰａ以上の蒸気圧を有することが好ましく、６０℃で１０ｈＰａ以上の蒸気圧を有することが更に好ましい。このような有機化合物燃料としては、例えばトリオキサンが挙げられるが、特に限定されない。なお、トリオキサンの融点は６１〜６４℃であるから、貯蔵部内が融点以上に上昇するまでは、主に昇華による気化が起こる。融点以上では昇華と蒸発が同時に起こると考えられ、高い蒸気圧が得られる。
【００２８】
燃料電池１１の動作が開始してから一定時間が経過すると、燃料電池１１の発電により、熱エネルギーが発生する。図１に示すように、燃料電池１１の側面の少なくとも一部と貯蔵部１２とを接触させることにより、燃料電池１１で発生した熱は貯蔵部１２に伝導する。そして、貯蔵部１２の内部に貯蔵されている有機化合物燃料が加熱される。貯蔵部１２の温度上昇に伴い、有機化合物燃料の昇華や、融解とその後の蒸発が加速される。
【００２９】
例えば有機化合物燃料がトリオキサンである場合、トリオキサンの８５℃における蒸気圧は３７ｈＰａである。この程度の蒸気圧であれば、供給部１３を介して、燃料電池１１のアノードと貯蔵部１２の内部とを連通させることにより、充分量の気体のトリオキサンを燃料電池のアノードに供給することが可能である。また、供給部１３に気体の流量を制御する制御弁を設け、制御弁により燃料電池１１の出力を制御することも可能である。
【００３０】
図１では、燃料電池１１で発生した熱エネルギーを効率良く貯蔵部１２に移動させるとともに、高温になった燃料電池１１とユーザとの接触を防止する観点から、貯蔵部１２が、燃料電池１１の周囲を取り巻くように配置されている。このような構造により、発電時に生じた熱を貯蔵部１２に効率よく供給することができる。更に、燃料電池システムの系外への熱排出を減少させることができ、燃料電池システムの小型化も可能となる。更に、ユーザが熱源に直接触れる機会も少なくなり、システムの安全性も向上する。凹部に収容された燃料電池１１は、その外表面の５％以上、好ましくは１５％以上が貯蔵部１２で囲まれていることが望ましい。貯蔵部１２は、燃料電池１１に対して、脱着可能であってもよい。その場合、貯蔵部１２は、交換可能なカートリッジ形式とすることが望ましい。有機化合物燃料の気化を促進させる加熱手段（例えばヒータ）などは、燃料カートリッジに取り付けてもよい。
【００３１】
第２実施形態
本実施形態に係る燃料電池システム２０の構成を図２に示す。燃料電池システム２０は、燃料電池２１と、貯蔵部２２とを具備する。貯蔵部２２の側面には、凹部２５が形成されており、凹部２５に燃料電池２１が収容されている。貯蔵部２２には、室温で固体の有機化合物燃料、例えばトリオキサンが貯蔵されている。有機化合物燃料は、貯蔵部２２の内部で気化し、有機化合物燃料の気体は、供給部２３を通過して、燃料として、燃料電池２１のアノードに供給される。
【００３２】
燃料電池システム２０は、燃料電池２１に供給された気体のうち、発電に使用されなかった未反応の有機化合物燃料が、排出部２４を通って、貯蔵部２２に回収される点において第１実施形態に係る燃料電池システム１０と異なる。回収された有機化合物燃料は、再び貯蔵部２２から供給部２３を通って、燃料電池２１のアノードに再供給される。例えばトリオキサンは、このような回収および再供給を容易に行うことができる。排出部２４を有すること以外、燃料電池システム２０の構成は、第１実施形態と同様である。排出部２４には、燃料電池２１の燃料排出口と、貯蔵部２２とを連通させる様々な手段を用いることができる。排出部２４から燃料電池２１に燃料が逆流しなうように、排出部２４は、逆流防止弁を有することが望ましい。
【００３３】
第３実施形態
本実施形態に係る燃料電池システム３０の構成を、３層構造の外装だけを断面にして図３に示す。燃料電池システム３０は、燃料電池３１と、貯蔵部３２とを具備する。貯蔵部３２には、室温で固体の有機化合物燃料、例えばトリオキサンが貯蔵されている。有機化合物燃料は、貯蔵部３２の内部で気化し、有機化合物燃料の気体は、供給部３３を通過して、燃料として、燃料電池３１のアノードに供給される。
【００３４】
燃料電池システム３０は、貯蔵部３２に燃料電池３１の熱を伝える熱伝導部を有する点において、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と異なる。すなわち、燃料電池３１の側面と、貯蔵部３３の側面とが、それぞれ熱伝導部となる熱伝導性シート３４と接触しており、燃料電池３１で発生した熱が熱伝導性シート３４を通って貯蔵部３３を加温する仕組みになっている。燃料電池３１と貯蔵部３２とを包囲する筐体３６の内壁には、断熱材３５が設けられており、断熱材３５の内側に熱伝導性シート３４が張り合わされている。燃料電池３１で発生した熱は、熱伝導性シート３４を介して、貯蔵部３３に送られるので、貯蔵部２２と燃料電池３１との熱交換の効率は高められる。
【００３５】
熱伝導性シート３４のような熱伝導部の材質としては、熱伝導率の高い材料、例えばグラファイト（黒鉛）を主成分とするシートや、金、銀、銅およびアルミニウムよりなる群から選択される少なくとも１種を含む金属材料などが好ましい。グラファイトを主成分とするシートにおいては、グラファイト結晶のｃ軸が、シートの厚さ方向に配向していることが望ましい。熱伝導部の形態は、特に限定されないが、例えば熱伝導部と燃料電池３１の外表面の５％以上とが接触していることが好ましく、熱伝導部と貯蔵部３２の外表面の１５％以上とが接触していることが好ましい。
【００３６】
熱伝導部の外面は、熱が外部に拡散しないように、断熱材で覆われていることが好ましい。特に、図３に示すように、燃料電池と貯蔵部とが、内層の熱伝導部、中間層の断熱材および外層の筐体からなる３層構造の外装で被覆されていることが望ましい。断熱材には、グラスウール、シリカ粉末、発泡ウレタン、およびこれらを利用した真空断熱材などを用いることが好ましい。図３では、熱伝導性シート３４と筐体３６との間に断熱材３５が設けられているため、燃料電池３１で発生した熱は、筐体３６に伝わりにくくなっており、システムの安全性も高くなっている。貯蔵部３２は、燃料電池３１に対して、脱着可能であってもよい。その場合、貯蔵部３２は、交換可能なカートリッジ形式とすることが望ましい。
【００３７】
第４実施形態
本実施形態に係る燃料電池システム４０の構成を、３層構造の外装だけを断面にして図４に示す。燃料電池システム４０は、燃料電池４１と、貯蔵部４２とを具備する。貯蔵部４２には、室温で固体の有機化合物燃料、例えばトリオキサンが貯蔵されている。有機化合物燃料は、貯蔵部４２の内部で気化し、有機化合物燃料の気体は、供給部４３ｂを通過して、水貯蔵部４４に送られる。水貯蔵部４４内には水が貯蔵されており、ここで有機化合物燃料の気体と水とが混合される。例えば、トリオキサンの気体を水中に送り込み、バブリングさせると、適度な湿気と気体のトリオキサンとを含んだガスが発生する。水貯蔵部４４で発生させた湿気を含むガスは、供給部４３ｂを通過して、燃料として、燃料電池４１のアノードに供給される。
【００３８】
本実施形態によれば、有機化合物燃料を水分子とともに燃料電池のアノードに供給することができる。有機化合物燃料を水分子とともにアノードに送ることにより、有機化合物燃料の電気化学的な酸化が促進される。水と有機化合物燃料とのモル比を適正範囲内に制御することにより、有機化合物燃料を完全に二酸化炭素にまで酸化することも可能である。よって、有機化合物燃料の気体に適度な湿気を含ませることにより、燃料電池の発電効率が向上し、高い電池電圧が得られるようになる。
【００３９】
なお、燃料電池システム４０は、第３実施形態に係る燃料電池システムと同様に、貯蔵部４２に燃料電池４１の熱を伝える熱伝導部を有する。すなわち、燃料電池４１の側面と、貯蔵部４２の側面とが、それぞれ熱伝導部となる熱伝導性シート４５と接触しており、燃料電池４１で発生した熱が熱伝導性シート４５を通って貯蔵部４２を加温する仕組みになっている。燃料電池４１と貯蔵部４２と水貯蔵部４４とを包囲する筐体４７の内壁には、断熱材４６が設けられており、断熱材４６の内側に熱伝導性シート４５が張り合わされている。
【００４０】
第５実施形態
本実施形態に係る燃料電池システム５０の構成を図５に示す。燃料電池システム５０は、燃料電池５１と、貯蔵部５２とを具備する。貯蔵部５２の側面には、凹部５５が形成されており、凹部５５に燃料電池５１が収容されている。貯蔵部５２には、室温で固体の有機化合物燃料、例えばトリオキサンが貯蔵されている。有機化合物燃料は、貯蔵部５２の内部で気化し、有機化合物燃料の気体は、変換部５３を通過する。変換部５３を通過する際に、有機化合物燃料は、異種有機化合物に変換される。そして、異種有機化合物が、供給部５４を通過して、燃料として、燃料電池５１のアノードに供給される。
【００４１】
燃料電池システム５０は、有機化合物燃料を異種有機化合物に変換する変換部５３を有する点において、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と異なる。有機化合物燃料を異種有機化合物に変換する方法は、特に限定されないが、例えば有機化合物燃料の分解を促進する触媒と接触させたり、有機化合物燃料を分解が進行する程度の高温部に導入したりすることにより、変換を行うことが可能である。変換部５３を有すること以外、燃料電池システム５０の構成は、第１実施形態と同様である。
【００４２】
例えば、有機化合物燃料がトリオキサンである場合、変換部５３にトリオキサンの分解を促進する触媒、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、酸性物質（例えば陽イオン交換樹脂）等を配置し、これと有機化合物燃料とを接触させる。触媒が充填された変換部５３を通過させるだけでも、ある程度、トリオキサンの分解は進行するが、必要に応じて、変換部５３を加熱手段で加熱することにより、分解を更に促進することができる。
【００４３】
変換部５３において、気体のトリオキサンは、ホルムアルデヒドに分解される。生成したホルムアルデヒドは、燃料として燃料電池５１のアノードに供給される。ホルムアルデヒドは、トリオキサンよりも反応性が高いため、燃料電池の発電効率は高められる。
【００４４】
変換部５３は、燃料電池１１の燃料供給口と、貯蔵部１２との間に介在していればよい。貯蔵部５２を、燃料電池５１に対して脱着可能な交換可能なカートリッジ形式とする場合、カートリッジには、気化した有機化合物燃料を、異種有機化合物に変換する変換部を設けてもよい。特に、変換部が触媒を含む場合には、触媒は時間経過とともに劣化するため、変換部をカートリッジと一緒に交換することが有効である。
【実施例】
【００４５】
次に、実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《実施例１》
（i）燃料電池の単セルの作製
図６に示すような断面構造を有する単セル６０を作製した。単セル６０は、アノード、カソード、アノードとカソードとの間に配置された電解質膜６１からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）６５を作製し、ＭＥＡ６５の一方の面に、燃料を供給する燃料流路６７Ａを有するアノード側導電性セパレータ６６Ａを配置し、他方の面に、空気を供給する空気流路６７Ｂを有するカソード側導電性セパレータ６６Ｂを配置して構成した。各セパレータには、表面を切削して燃料流路６７Ａもしくは空気流路６７Ｂとなる溝を形成した樹脂含浸黒鉛板を用いた。
【００４６】
ＭＥＡ６５は、以下の要領で作製した。
一次粒子の平均粒径が３０ｎｍである導電性カーボン粒子（オランダ、ＡＫＺＯ  Ｃｈｅｍｉｅ社製のケッチェンブラックＥＣ）１００重量部に対し、平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とを、それぞれ２５重量部ずつ担持させて、アノード側の触媒粉末を調製した。同様に、導電性カーボン粒子（ケッチェンブラックＥＣ）１００重量部に対し、平均粒径約３０Åの白金粒子を、５０重量部担持させて、カソード側の触媒粉末を調製した。
【００４７】
アノード側の触媒粉末およびカソード側の触媒粉末を、それぞれイソプロパノール中に分散させ、得られた分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、アノード触媒用ペーストおよびカソード触媒用ペーストを調製した。
【００４８】
アノード触媒用ペーストを、スクリーン印刷法を用いて、撥水処理済みの厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に塗工して、アノード触媒層６２Ａを形成した。同様に、カソード触媒用ペーストを、スクリーン印刷法を用いて、厚み２５０μｍの別のカーボン不織布の一方の面に塗工して、カソード触媒層６２Ｂを形成した。その結果、カーボン不織布からなる拡散層６３Ａと、アノード触媒層６２Ａとを具備するアノード、および、カーボン不織布からなる拡散層６３Ｂと、カソード触媒層６２Ｂとを具備するカソードを得た。各触媒層中に含まれる触媒金属量は０．５ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸量は１．２ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００４９】
カーボン不織布の撥水処理は、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体の水分散液（ダイキン工業（株）製のＮＤ−１）に、水を加えて混合し、得られた混合液にカーボン不織布を真空含浸させた後、３６０℃でカーボン不織布を焼成することにより行った。撥水処理により、カーボン不織布の撥水性が向上するため、カソードで生成した水は、アノードに逆拡散する。逆拡散した水は、トリオキサンと共にアノードで電気化学的に酸化させた。
【００５０】
アノードとカソードとを、これらの電極より一回りサイズの大きい水素イオン伝導性の高分子電解質膜６１を介して、ホットプレスによって接合した。アノードおよびカソードは、電解質膜６１の中心部の両面に配置し、アノード触媒層６２Ａとカソード触媒層６２Ｂとを電解質膜６１を介して対向させた。電解質膜６１には、パーフルオロカーボンスルホン酸の薄膜（米国デュポン社製のナフィオン１１２（商品名））を用いた。次に、電解質膜６１の外周には、アノードおよびカソードを囲むように、セパレータの外周部とほぼ同じ形状に打ち抜かれたガスケット６４を、ホットプレスにより接合した。こうしてＭＥＡ６５を完成した。
【００５１】
（ii）燃料電池システムの作製
図７に示すような燃料電池システム７０を、以下の要領で作製した。なお、熱伝導性シート７４および断熱材７５は、燃料電池システム７０の内部構造が明らかになるように、一部を切欠して示す。
まず、単セル６０を６個作製し、これらが直列接続されるように積層して、燃料電池スタック７１を得た。燃料電池スタックにおいて、全てのアノード側セパレータおよびカソード側セパレータには、燃料流路６７Ａを連通させる燃料用マニホルド孔（図示せず）を形成した。同様に、全てのアノード側セパレータおよびカソード側セパレータには、空気流路６７Ｂを連通させる空気用マニホルド孔（図示せず）を形成した。
【００５２】
貯蔵部７２は、内側をテトラフルオロエチレンの膜で被覆した鉄製容器で構成した。貯蔵部７２の側面には、スウェージロック社製のコネクタ（クイックコネクツ）７３を設置し、当該コネクタ７３によって、貯蔵部７２を燃料電池スタック７１の燃料用マニホルド孔に接合した。貯蔵部７２の内部には、有機化合物燃料として、固体のトリオキサンを内空間の８５体積％まで充填した。
【００５３】
コネクタ７３を介して接続された燃料電池７１と貯蔵部７２の側面に沿って、熱伝導シート７４を巻き付け、燃料電池スタック７１の側面と、貯蔵部７２の側面とを、熱伝導性シート７４により直結させた。熱伝導性シート７４には、グラファイトシート（松下電器産業（株）製、ＰＧＳ）を使用した。熱伝導性シート７４の外部には、更に断熱材７５（松下電器産業（株）製、バキュアＵタイプ）を巻き付けることによって、燃料電池７１で発生した熱エネルギーの外部への拡散を防止した。これにより、発電時に燃料電池スタック７１で発生した熱エネルギーは、貯蔵部７２へと移動し、トリオキサンの昇華熱として利用されることになる。
【００５４】
得られた燃料電池システムにおいて、自然に昇華する気体のトリオキサンのみを燃料として燃料用マニホルド孔に供給し、空気用マニホルド孔には、酸化剤として、空気を毎分１Ｌの流量で供給し、動作温度８０℃で発電実験を行った。
なお、トリオキサンは、昇華した後、低温部で、再度固体として析出する性質があるが、コネクタ７３は温度の高い燃料電池スタック７１と直接接続されているため、最も温度が高く、この部位でトリオキサンが析出し、コネクタ７３の内部が閉塞する現象は起こらなかった。
【００５５】
《実施例２》
貯蔵部７２とコネクタ７３との間に、トリオキサン（有機化合物燃料）をホルムアルデヒド（異種有機化合物）に変換する変換部を設けたこと以外、実施例１と同様の燃料電池システムを作製した。
変換部には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の管内に固体酸を充填したものを用いた。固体酸には、陽イオン交換樹脂（ロームアンドハース社製のアンバーライトＩＲ１２０Ｂ Ｎａ・粒状）を用いた。固体酸は、ナトリウム型の陽イオン交換樹脂であるため、１規定の塩酸水溶液で洗浄することによってプロトン型に交換した後、ＰＴＦＥ製の管内に充填した。
得られた燃料電池システムの発電実験を、実施例１と同様の条件で行った。
【００５６】
《比較例１》
実施例１と同様の燃料電池システムを作製し、燃料用マニホルド孔に、濃度１ｍｏｌ／Ｌのトリオキサン水溶液を、毎分０．２ｍＬの流量で供給したこと以外、実施例１と同様の条件で発電実験を行った。
【００５７】
［試験結果］
実施例１、２および比較例１において作製した燃料電池システムについて、上記条件で発電実験を行い、運転開始から５時間後の開回路電圧と、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２における電圧と、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ２における電圧とを調べた。結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
2006344414.tif 000003
【００５９】
いずれの場合においても、開回路電圧は高い値を示した。また、固体の有機化合物燃料（トリオキサン）を気化させて燃料として用いた実施例１、２では、電流密度に関わらず、高い電圧が得られた。しかし、比較例１では、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ２の高負荷電流による実験において、実施例１、２に比べて、電池電圧が大きく降下した。
【００６０】
比較例１においては、トリオキサンの循環だけではセルを十分に冷却することができず、セル温度が上昇し、ＭＥＡ内の電解質膜の水分が減少し、反応面積の減少を引き起こしたものと考えられる。一方、実施例１、２では、発電時に生成した熱エネルギーを、燃料となる有機化合物の気化に利用したため、セル温度が大きく上昇することがなく、反応面積の減少が抑制されたものと考えられる。よって、安全性が高く、ユーザが高温の熱源に直接接触する機会も少なく、かつ性能的にも優れた燃料電池システムの提供が可能であった。
【００６１】
実施例１に比べて、実施例２の電池電圧が高いのは、トリオキサンが加水分解して得られたホルムアルデヒドの方が反応性が高いためである。すなわち、気化した有機化合物を、反応性の高い別の有機化合物に変換して発電部に供給することにより、発電効率の顕著な向上が見られた。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の燃料電池システムは、携帯電子機器、電気自動車、家庭用コジェネレーションシステム等に好適に用いられる。また、本発明の燃料カートリッジは、軽量かつコンパクトな燃料電池システムにおいて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの一部を切欠した概念図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。
【図６】本発明の実施例１に係る単セルの断面構成図である。
【図７】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの一部を切欠した概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０、２０、３０、４０、５０、７０  燃料電池システム
１１、２１、３１、４１、５１、７１  燃料電池
１２、２２、３２、４２、５２、７２  貯蔵部
１３、２３、３３、４３ａ、４３ｂ、５３、７３  供給部
２４  排出部
１４、２５、５５  凹部
３４、４５、７４  熱伝導性シート
３５、４６、７５  断熱材
３６、４７  筐体
４４  水貯蔵部
５４  変換部
６１  電解質膜
６２Ａ  アノード側触媒層
６２Ｂ  カソード側触媒層
６３Ａ  アノード側拡散層
６３Ｂ  カソード側拡散層
６４  ガスケット
６５  膜電極接合体
６６Ａ  アノード側導電性セパレータ
６６Ｂ  カソード側導電性セパレータ
６７Ａ  燃料流路
６７Ｂ  空気流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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